R0 = 0x000A

R4 = 0x000B

R5 = 0x000C

R13 = 0xFFF0

STMIA R13!, {R0,R4-R5} 연산의 결과는 ?



STMIB R13!, {R0,R4-R5} 연산의 결과는 ?

STMDA R13!, {R0,R4-R5} 연산의 결과는 ?




STMDB R13!, {R0,R4-R5} 연산의 결과는 ?



참고로 ARM Compiler는 Stack 동작시 Full Descending Stack 방식으로 동작 하고 있습니다. STMDA 명령어와 동일한 방식 입니다. 즉 Stack Pointer는 항상 유효한 데이터를 가르키고 있고 주소가 감소하는 방향으로 저장이 됩니다.

- Stack 에서 PUSH, STMDB 대신에 아래와 같이 사용이 가능 합니다.
STMFD SP!, {R4-R12, LR}

- Stack 에서 POP, LDMIA 대신에 아래와 같이 사용이 가능 합니다.
LDMFD SP!, {R4-R12, PC}
LDMFD SP!, {R0-R12, PC}^

"^" 연산자는 목적지의 레지스터(Rd)가 PC인 경우에 SPSR을 CPSR로 북구까지 하라는 명령 입니다.

7.7 Branch Instructions

혹시 서브 함수와 서브 프로시져의 차이점을 알고 있나요 ? 2가지 모두 메인 프로그램 흐름에서 벗어(분기하여)나 특정 작업을 수행하는 것은 동일 합니다. 하지만 엄밀하게 차이점을 이야기 하면 서브 프로시져는 분기 이후에 분기하기 이전의 흐름으로 되돌아 오지 않고 분기한 주소에서 부터 프로그램 수행이 계속 될 경우에 사용을 하고 서브 함수는 분기한 주소에서 특정 작업을 수행하다가 분기 이전의 주소로 복귀하여 프로그램을 수행 하도록 합니다. 설명이 길어 졌네요. 그림을 통해서 차이점을 구분해 보도록 합시다.

* 서브 프로시져 호출시 프로그램 흐름


* 서브 함수 호출시 프로그램 흐름




(1) Syntax
B{L}{cond} <target_addr>
target_addr <-- pc + SignExtended(immed_24)<<2

- 여기서 PC는 Pipeline 에서 설명 했드시 Branch Instruction 의 주소에서 8을 더한 위치가 됩니다.

(2) Branch Range
-32MB ~ +32MB

분기 범위가 +- 32MB 까지로 제한이 되는 이유는 2^24 = 16MB << 2 를 하면 64MB 이고 이를 +- 로 하면 32MB 까지가 되는 것입니다.

(3) Examples
B Label
MOV PC, #0
MOV PC, LR

레제스터 R15(PC) 에 직접 분기할 주소를 저장하여도 분기가 가능 합니다.

LDR PC, =func

참고로 LDR 명령어를 사용하면 Branch명령어를 사용했을때보다 1가지 잇점이 있는데 4GB이내에서는 어디든지 분기가 가능 하다는 것입니다.
Branch 명령어의 분기 range는 -32MB ~ +32MB의 제약이 있습니다. 물론 메모리에서 주소를 읽어와야 하므로 성능면에서는 좋지 않겠지요.

(5) 함수 호출(BL)
- 함수 호출시
BL func --> B 명령어와 다른점은 LR레지스터에 PC-4 의 Address값이 H/W적으로 저장이 됩니다.

- ARM 모드 함수 종료시
MOV PC, LR --> LR 에는 이미 BL 명령어의 주소 +4 의 값이 저장이 되어 있어 BL 명령어 다음부터 명령을 수행할 수 있도록 합니다.

- Thumb 모드 함수 종료시
BX LR

(6) Subsequent Function Calls
함수안에서 함수를 다시 호출을 하면 어떤일이 발생을 할가요. 예제 코드를 가지고 분석해 보도록 하겠습니다.


위의 예제에서 서브함수를 호출하고난 이후에 main 루틴에 있는 R2에는 #3이 저장이 되어 있어야 합니다. 언뜻 보기에 #11이 저장이 되어 있을것 같습니다.
R0, R1은 func1에서 각각 #3, #4 가 저장이 되고 func2를 거치면서 #5, #6이 저장이 됩니다. 그래서 #11이 될것이라고 예상이 될수 있지만 사실은 func1의 ADD 명령어만 반복해서 실행이 될것입니다. 왜냐하면 main에서 func1으로 branch할때까지는 LR에는 BL명령어 Address+4 가 저장이 되고 func1에서 func2로 분기 할때 다시 LR에는 func2로 분기하는 BL명령어 Address+4가 저장이 되어 최종 func2에서 MOV PC, LR 을 실행을 하면 func1의 ADD 명령어로 PC가 이동을 하고 다시 func1에서 MOV PC, LR 이 실행이 되면 LR 값에 의해서 다시 func1의 ADD 명령어가 반복해서 실행이 될것입니다. 조금 복잡한듯 하지만 잘 따라가 보면 알 수 있습니다. 이 예제에서 알수 있는것은 서브 함수를 호출할 경우에는 서브함수내에서 반드시 LR과 서브함수에서 사용할 레지스터들을 Stack에 백업을 하고 서브함수에서 복귀전에 다시 Stack에서 복원을 해야 한다는 것을 알 수 있습니다. 그러면 위의 예제를 main 루틴에 있는 R2에 #3이 저장이 되도록 수정을 하면 어떻게 될까요 ?



위의 그림에서 MOV SP, #98304 를 하는 이유는 Stack을 사용하기 위해서 Supervisor 모드의 Stack 포인터를 초기화 하는 것입니다. 참고로 Stack 포인터의 주소는 실제 타겟마다 다를 수 있습니다. Stack 포인터는 주로 시스템의 주 메모리에 위치 합니다.

(7) Veneer
베니어라는 용어가 나오네요. 혹시 베니어 합판 이라는 말을 들어 보셨나요? 작은 나무 조각들을 겹겹이 붙여서 만든 합판 입니다. 여기 나오는 Veneer라는 개념이 흡사 베니어 합판을 만드는것과 유사한것 같습니다. 사실 Veneer라는 것은 ARM의 특성은 아니고 컴파일러에서 지원하는 기능 입니다.원래 B, BL 등의 분기 명령어는 -32MB ~ 32MB 범위내에서 분기가 가능하다고 하였습니다. 하지만 아래 그림과 같이 MyFunc2을 호출할때 컴파일러에서 자동으로 Veneer라는 중간 분기점을 만들어서 32MB 범위를 벗어나도 서브 함수를 호출 가능하도록 만들어 줍니다.



위의 기능 이외에도 추가로 아래와 같은 기능이 있습니다.

- ARM to ARM or Thumb to Thumb 으로 분기 : Long branch capability
- ARM to Thumb or Thumb to ARM 으로 분기 : Long branch capability and interworking capability

7.8 Status Register Access Instructions

(1) Syntax
MRS{cond} Rd, CPSR ; CPSR의 값을 Rd 레지스터로 읽어 옵니다.
MRS{cond} Rd, SPSR ; SPSR의 값을 Rd 레지스터로 읽어 옵니다.

MSR{cond} CPSR_<fields>, #<immediate>
MSR{cond} CPSR_<fields>, <Rm> ; Rm 레지스터의 값을 CPSR에 저장 합니다.
MSR{cond} SPSR_<fields>, #<immediate>
MSR{cond} SPSR_<fields>, <Rm> ; Rm 레지스터의 값을 SPSR에 저장 합니다.

이전에도 설명 했지만 CPSR 레지스터의 구조를 다시한번 확인 바랍니다.



(2) Examples

- IRQ 를 Enable 하는 코드 입니다.

아래 명령어 들이 수행되는 동안의 CPSR레지스터의 변화값을 확인해 보시기 바랍니다.

MRS R0, CPSR
BIC R0, R0, #0x80 ; 7번 비트를 clear 하면 인터럽트가 활성화 됩니다.
MSR CPSR, R0



BIC, MSR 명령에 의해서 CPSR의 I 가 "0" 으로 변경(Unmask) 되어 Interrupt가 가능하게 되었습니다. 참고로 CPSR_fc 와 CPSR은 같은 레지스터 입니다.



- IRQ 를 Disable 하는 코드 입니다.
MRS R0, CPSR
ORR R0, R0, #0x80 ; 7번 비트를 set 하면 인터럽트를 사용할 수 없습니다.
MSR CPSR, R0

간혹 MSR_c, MRS_x 등으로 사용되는 예제들이 있는데 밑줄 다음에 오는 flag의 의미는 아래와 같습니다. 그리고 밑줄 다음의 _c, _x 등은 의미를 명확하게 하기 위해서 사용하는 것일뿐 생략해도 아무 문제가 되지는 않습니다.
c = PSR[7:0]
x = PSR[15:8]
s = PSR[23:16]
F = PSR[31:24]

7.9 Software Interrupt Instruction

(1) Syntax
SWI{cond} <immed_24>

SEI 명령어는 S/W 적으로 강제적으로 ARM에 IRQ 예외를 발생 시킵니다. 주로 OS에서 User application들이 운영체제 서비스 루틴을 호출할 경우에 특권모드에서 콜하기 위해서 많이 사용됩니다.

(2) Examples
SWI #0x123456

7.10 SWP Instruction

(1) Syntax
SWP{cond}{B} Rd, Rm, [Rn]

(2) Operation
Temp <-- [Rn]
[Rn] <-- Rm
Rd <-- Temp

(3) Semaphore Instruction
명령어 수행중에 인터럽트없이 메모리의 Read, Write 를 할 수 있는 Atomic 동작을 할수 있습니다. Atmoic이라는 용어가 나오는데요, 이것은 어떤 동작을 1개의 오퍼레이션으로 완료하는 것을 의미합니다. 즉 Atmoic 오퍼레이션이 수행되는 동안에는 인터럽트가 발생하지 않는 것입니다.

(4) Examples

R0 = 0x01
R1 = 0x02
R2 = 0x31000000



레지스터의 값들이 위와 같을때 아래 예제들을 차례대로 수행 했을때의 각각의 레지스터 값은 ?

SWP R0, R1, [R2]

R2 가 가르키는 주소(0x31000000)의 값 0x78563412의 값이 R0에 저장이 되었고,



R1의 값 0x02가 R2가 가르키는 0x31000000 메모리에 저장이 되었습니다.



아래의 예는 바이트 명령어 입니다. SWPB 명령어를 사용했을 경우 R0 에는 어떤 값이 저장이 될까요 ?

SWPB R0, R1, [R2]





동작은 SWP와 동일하고 단지 바이트 단위로 SWP가 된다는 것만 다릅니다. 위의 그림들을 참조 하시기 바랍니다.


7.11 Conditional Execution

ARM모드 에서 굉장이 강력한 기능으로 명령어들을 특정 조건이 만족했을 때에만 실행 시킬 수 있습니다. 이렇게 조건부 실행이 가능하면 성능면에서 아래와 같은 잇점이 있습니다.

- Increase code density
- Decrease the number of branches

Thumb모드에서는 분기명령어 이외에는 이 조건부 실행 기능을 사용할 수 없습니다. 그 이유는 명령어의 길이가 Thumb 모드에서는 16bit로 제한이 되어서 조건부 실행을 할만큼 레지스터 공간이 충분하지 못하기 때문입니다. 그러면 실행 가능한 조건이라는 것은 어떤것들이 있을까요?
ARM 명령어 설명할때 맨처음에 나왔던 그림인데요아래 그림을 보고 실행 조건에 대해서 설명하도록 하겠습니다.



< Cond >
해당 명령의 조건 실행 플래그입니다. 데이터 프로세싱 명령어에도 당연히 포함됩니다.
해당 플래그를 통해 명령을 현재 플래그 레지스터(CPSR)의 상태에 따라 실행 여부를 결정하는데 사용되는 플래그입니다.

ARM 명령어의 길이는 32bit라고 하였습니다. 32bit중에서 4bit를 조건부 실행을 하는데 할당하고 있습니다. [31:28] bit가 바로 <Cond> 비트 입니다.
그리고 <Cond> 필드에 올수 있는 것들은 아래 표와 같습니다.

BX명령어는 일반 분기명령어와 비슷한것 같지만 조금 다릅니다. 이유는 32bit ARM 모드에서 Thumb 모드로 전환을 할때 32bit 명령어 에서 16bit 로 변경되면서 PC의 주소 증가하는 값이 4byte에서 2byte로 바뀌기 때문에 그런 것입니다. 당연히 Thumb 모드에서 ARM 모드로 다시 복귀 할때는 반대의 경우 이겠죠? 조금 어렵죠 ? 예를 들어서 설명 하도록 하겠습니다.

위의 그림에서 붉은 박스를 잘 보시면 armcode 부분은 32비트 코드 사이즈이고, thumbcode 부분은 16비트 길이의 코드 사이즈임을 알 수 있습니다.
0x5C address의 코드 BX, R0 코드가 수행이 되었을때 레지스터의 상태를 보면 아래와 같습니다.

thumbcode 가 시작되는 주소는 0x6C 인데, armcode의 "BX, R0(0x6d)" 코드에 의해서 0x6C가 아닌 0x6D 로 분기 하라고 되어 있습니다. 올바르게 수행이 될까요 ? 물론 잘 수행이 됩니다. 이것의 비밀은 위에서 설명한 "CPSR.T <-- Rm[0], PC <-- Rm & 0xFFFFFFFE" 에 있습니다.
우선 CPSR.T = 1 로 변경이 되는 것은 Rm(1101101) 의 최하위 비트가 "1" 이기 때문입니다. 또한 Rm(1101101) & 0xFFFFFFFE 에 의해서 실제 BX분기 명령어에 의해서 분기되는 주소는 0x6C 가 됩니다. BX 명령어에서 Rm(1101101) & 0xFFFFFFFE 해서 분기를 하는 이유는 ARM 모드(32비트)이건 Thumbmode(16비트) 이건 PC의 주소를 항상 2의 배수를 유지 하기 위해서 입니다.




9. AAPCS
9.1 Procedure Call Standard for the ARM Architecture

쉽게 이야기 하면 ARM에서 서브 루틴을 호출할때의 레지스터, 스택 사용 방법에 대한 것입니다. 아래 표는 Procedure call시 사용되는 레지스터들을 표로 정리한 것입니다.